電子顯微鏡(1)

1、第三部分第三部分 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理電子顯微分析電子顯微分析1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史2 電子波的波長3 電磁透鏡4 電磁透鏡的缺陷5 電磁透鏡的景深和焦長6 電子顯微鏡的構成7 與光學顯微鏡的比較1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（1 1） 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（2 2） 電子顯微鏡的誕生，首先在醫(yī)學生物上得到應用，隨后用于金屬材料研究。 1949年海登萊西（Heidenreich）第一個用透射電鏡觀察了用電解減薄的

2、鋁試樣； 50年代開始，電鏡直接觀察到位錯層錯等以前只能在理論上描述的物理現象； 1970年日本學者首次用透射電鏡直接觀察到重金屬金的原子近程有序排列，實現了人類兩千年來直接觀察原子的夙愿。 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（3 3） 電子顯微鏡包括以下三種類型的儀器：掃描電子顯微鏡：用于微形貌觀察、顯微成（SEM） 分分析透射電子顯微鏡：用于微結構分析、微形貌 （TEM） 觀察電子探針：微區(qū)成分分析、顯微形貌觀察 （EPMA）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原

3、理1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（4 4）光學顯微鏡的局限性光學顯微鏡的局限性 任何顯微鏡的用途都是將物體放大，使物體上的細微部分清晰地顯示出來，幫助人們觀察用肉眼直接看不見的東西。 假如物體上兩個相隔一定距離的點，利用顯微鏡把他們區(qū)分開來，這個距離的最小極限，即可以分辨的兩個點的最短距離稱為顯微鏡的分辨率，或稱分辨本領。 人的眼睛的分辨本領為0.5mm左右。一個物體上的兩個相鄰點能被顯微鏡分辨清晰，主要依靠顯微鏡的物鏡。假如在物鏡形成的像中，這兩點未被分開的話，則無論利用多大倍數的投影鏡或目鏡，也不能再把它們分開。 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原

4、理電子顯微鏡基本原理1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（5 5）r0：兩物點的間距； ：光線的波長； n：透鏡周圍介質的折射率；Nsin：數值孔徑，用N.A表示。 將玻璃透鏡的一般參數代入上式，即最大孔徑半角=70-75，在介質為油的情況下，n1.5,其數值孔徑nsin1.25-1.35，上式可化簡為：電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理根據光學原理，兩個發(fā)光點的分辨距離為：1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（6 6） 這說明，顯微鏡的分辨率取決于可見光的波長，而可見光的波長范圍為3900 - 7600A，故而光學顯微鏡的

5、分辨率不可能高于2000A。 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理1 1 電子顯微鏡的發(fā)展簡史（電子顯微鏡的發(fā)展簡史（7 7） 為進一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波長的射線。 例如用紫外線（400nm）作光源，分辨率可提高一倍。 曾有人提出利用射線，當時在技術上比較困難，至今仍沒有很大發(fā)展。但電子的波動性被發(fā)現后，很快就被用來作為提高顯微鏡分辨率的新光源，即出現了電子顯微鏡。目前電子顯微鏡的放大倍數已達到數十萬倍，這是光學顯微鏡所無法達到的。下面來計算電子束的波長。 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理2 2

6、電子波的波長（電子波的波長（1 1）已知電子束具有波動性，對于運動速度為v，質量為m的電子波的波長為： =h/mv電子的速度v和加速電壓U之間存在下面的關系 eU 1/2 mv2即 v （2eU/m）1/2 由此得 h/(2emU)1/2 帶入h=6.6210-34J.S, m=9.1110-31kg， e=1.6010-19c 后，得 12.25/U1/2U的單位用伏特，的單位為A。 電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理2 2 電子波的波長（電子波的波長（2 2）前面計算的過程中，電子的質量采用的是靜止時的質量，但根據相對論理論，在高速運動的情況下，其

7、質量有變化： mm0/1-(v/c)21/2v為電子運動的速度，c為光速。波長與電壓的計算公式應校正為 12.25/U(1+0.978810-6U)1/2電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理2 2 電子波的波長（電子波的波長（3 3）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理加速電壓與電子波長的關系如下表所示： 可見，只要能使加速電壓提高到一定值就可得到很短的電子波。正是這一原因，用高壓加速電子就成為近代電鏡的最重要特點，用這樣的電子波作為照明源就可顯著提高顯微鏡的分辨本領。問題是能否制造出使電子波聚焦成像的透鏡。 3

8、3 電磁透鏡（電磁透鏡（1 1）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理 我們知道，光學顯微鏡是利用玻璃透鏡使可見光聚焦成像的。 電子和可見光不同，它是一帶電粒子，不能憑借光學透鏡會聚成像。 電子顯微鏡可以利用電場或磁場使電子束聚焦成像，其中用靜電場成像的透鏡稱為靜電透鏡，用電磁場成像的稱為電磁透鏡。 由于靜電透鏡從性能上不如電磁透鏡，所以在目前研制的電子顯微鏡中大都采用電磁透鏡。 3 3 電磁透鏡（電磁透鏡（2 2）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理電子在磁場中的運動：3 3 電磁透鏡（電磁透鏡（3 3）電子顯微分

9、析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理運動電子在磁場中受到Lorentz力作用，其表達式為：式中：e-運動電子電荷； v-電子運動速度矢量； B-磁感應強度矢量； F-洛侖茲力 。顯然，F的方向垂直于矢量v和B所決定的平面，力的方向可由右手法則確定。 3 3 電磁透鏡（電磁透鏡（4 4）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（1）vB，則F=0，電子不受磁場力作用，其運動速度的大小及方向不變；（2）若vB，即只改變運動方向，不改變運動速度，從而使電子在垂直于磁力線方向的平面上做勻速圓周運動。（3）若v與B既不垂直也不平行，而成一

10、定夾角，則其運動軌跡為螺旋線。3 3 電磁透鏡（電磁透鏡（5 5）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理如圖是一常用的電磁透鏡剖面圖。磁力線圍繞短線圈呈環(huán)狀。3 3 電磁透鏡（電磁透鏡（6 6）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理以上表明電磁透鏡與光學玻璃凸透鏡具有相似的聚焦性質。 4 4 電磁透鏡的缺陷（電磁透鏡的缺陷（1 1）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理 電子波波長很短，在100KV的加速電壓下，電子波波長為0.037A，用這樣短波長的電子波做顯微鏡的照明源，根據0

11、=0.61/（nsin）計算，顯微鏡的最小分辨率可達0.02A左右，然而到目前為止，電鏡的最佳分辨率仍停留在1-2A的水平，這是因為電磁透鏡存在球差，像散及色差等各種缺陷-像差。 4 4 電磁透鏡的缺陷（電磁透鏡的缺陷（2 2）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（1）球差 球差是由于電磁透鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域對電子會聚能力不同而造成的。 遠軸電子通過透鏡時被折射得比近軸電子要厲害得多，因而有同一物點散射的電子經過透鏡后不交在一點上，而是在透鏡相平面上變成了一個漫射圓斑。 4 4 電磁透鏡的缺陷（電磁透鏡的缺陷（3 3）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第

12、一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（2）像散 像散是由于透鏡的磁場軸向不對稱所引起的一種像差。磁場不同方向對電子的折射能力不一樣，電子經透鏡后形成界面為橢圓狀的光束，是圓形物點的像變成了一個漫射圓斑。 4 4 電磁透鏡的缺陷（電磁透鏡的缺陷（4 4）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（3）色差 色差是由于成像電子的能量或波長不同而引起的一種像差。能量大的電子在距透鏡中心比較遠的地點聚焦，而能量較低的電子在距透鏡中心比較近的地點聚焦。結果使得由同一物點散射的具有不同能量的電子經透鏡后不再會聚于一點，而是在像面上形成一漫射圓斑。 4 4 電磁透鏡的

13、缺陷（電磁透鏡的缺陷（6 6）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理 由于上述像差的存在， 雖然電子波長只有光波長的十萬分之一左右，但尚不能使電磁透鏡的分辨率提高十萬倍。 目前還不能制造出無像差的大孔徑角的電磁透鏡，而只能采用很小的孔徑角盡可能減小球差等缺陷的影響。電磁透鏡的分辨本領只比光學透鏡提高一千倍左右。 5 5 電磁透鏡的景深和焦長（電磁透鏡的景深和焦長（1 1）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（1） 景深 透鏡的景深是指在保持像清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動的距離Df。換言之，在景深范圍內，

14、樣品位置的變化并不影響物像的清晰度。 造成景深現象的原因是像差和衍射綜合影響的結果。景深大小Df與物鏡的分辨本領0成正比，而與孔徑半角成反比，即： Df 2 0/20 ：為電磁透鏡的分辨本領，：為孔徑半角。5 5 電磁透鏡的景深和焦長（電磁透鏡的景深和焦長（2 2）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理 因此，電磁透鏡的孔徑半角越小，景深越大。 一般電磁透鏡的102103 rad，因此Df(2002000)0若010A，則 Df200020000A即電子顯微鏡對于高度相差在2000A的物體，可以同時聚焦在成像平面上。5 5 電磁透鏡的景深和焦長（電磁透鏡的

15、景深和焦長（3 3）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（2）焦長 當透鏡焦距和物距一定時，像平面沿軸向一定距離內移動，也會引起失焦。但如果所引起的失焦尺寸不大于其他原因所引起的散焦斑大小，則對透鏡的分辨率沒有影響。 DL2 0M2/一般的電鏡焦長都超過一般的電鏡焦長都超過10-20cm。 因此，只要圖象在顯示屏上是清晰因此，只要圖象在顯示屏上是清晰的，那么在屏的上下的，那么在屏的上下10cm范圍放置膠范圍放置膠片，得到的圖象依然是清晰的。片，得到的圖象依然是清晰的。6 電子顯微鏡的構成（電子顯微鏡的構成（1）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子

16、顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（1）掃描電子顯微鏡6 電子顯微鏡的構成（電子顯微鏡的構成（2）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（2）透射電子顯微鏡6 電子顯微鏡的構成（電子顯微鏡的構成（3）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理（3）電子探針6 6 與光學顯微鏡的比較（與光學顯微鏡的比較（1）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理(1)光源 電子束 波長 0.037A 可見光 40007500A(2)媒介 真空 104108托 大氣(3)透鏡 電子透鏡（電磁鐵） 光學透鏡（玻璃透鏡）(4)分辨率 透射電鏡 1.4A 可見光區(qū) 2000A 掃描電鏡 60A 紫外光去 1000A6 6 與光學顯微鏡的比較（與光學顯微鏡的比較（2）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理(5)放大倍數 101百萬,連續(xù)可調 102000 換鏡頭6 6 與光學顯微鏡的比較（與光學顯微鏡的比較（3）電子顯微分析電子顯微分析 第一章第一章 電子顯微鏡基本原理電子顯微鏡基本原理(6)景深 1000倍時30um 1000倍時0.1um(7)聚焦原理 電子聚焦 機械聚焦(8)圖象特點 黑白灰度 彩色或黑白